开关电源变压器设计说明

开关电源变压器设计

1.前言

2.变压器设计原则

3.系统输入规格

4.变压器设计步骤

4.1选择开关管和输出整流二极管

4.2计算变压器匝比

4.3确定最低输入电压和最大占空比

4.4反激变换器的工作过程分析

4.5计算初级临界电流均值和峰值

4.6计算变压器初级电感量

4.7选择变压器磁芯

4.8计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度

4.9满载时峰值电流

4.10 最大工作磁芯密度Bmax

4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值

4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率

4.13 计算绕组的铜损

4.14变压器绕线结构及工艺

5.实例设计—12W Flyback变压器设计

1. 前言

◆反激变换器优点：

电路结构简单

成本低廉

容易得到多路输出

应用广泛，比较适合100W以下的小功率电源

◆设计难点

变压器的工作模式随着输入电压及负载的变化而变化

低输入电压，满载条件下变压器工作在连续电流模式 ( CCM )

高输入电压，轻载条件下变压器工作在非连续电流模式 ( DCM )

2. 变压器设计原则

◆温升

安规对变压器温升有严格的规定。Class A的绝对温度不超过90°C；

Class B不能超过110°C。因此，温升在规定围，是我们设计变压器必须遵循的准则。

◆成本

开关电源设计中，成本是主要的考虑因素，而变压器又是电源系统的重要组成部分，因此如何将变压器的价格，体积和品质最优化，是开关电源设计者努力的方向。

3. 系统输入规格

输入电压：Vacmin~ Vacmax

输入频率：f L

输出电压：V o

输出电流：I o

工作频率：f S

输出功率：P o

预估效率：η

最大温升：40℃

4.0变压器设计步骤

4.1选择开关管和输出整流二极管

开关管MOSFET:耐压值为V mos

输出二极管:肖特基二极管

最大反向电压V D

正向导通压降为V F

4.2计算变压器匝比

考虑开关器件电压应力的余量(Typ.=20%)

开关ON ：0.8·V D > V in max / N + V o

开关 OFF ：0.8·V MOS > N·( V o+ V F) + V in max

匝比：N min < N < N max

4.3 确定最低输入电压和最大占空比

输入滤波电容：2µF~3µF/W

最低输入电压 ( 假设tc=3ms )

V in min =

最低输入电压，最大功率时，占空比最大D max

D max =

4.4 反激变换器的工作过程分析

低输入电压时，负载从轻载到重载，变压器经历从DCM →BCM →CCM的过程高输入电压时，负载从轻载到重载，变压器一直工作在DCM

4.5 计算初级临界电流均值和峰值

按照最小输入电压，最大输出功率(Pomax)的条件计算P o = 1/3P o max时，变换器工作在BCM

P o < 1/3P o max时，变换器工作在DCM

P o > 1/3P o max时，变换器工作在CCM

BCM模式下，最小输入电压时的平均输入电流

I in-avg =

变压器初级临界电流峰值

I p1 = I pk1 =

4.6 计算变压器初级电感量

最低输入电压，BCM条件下，最大通时间

T on max = D max

变压器初级电感量

Lp =

4.7 选择变压器磁芯

基于输出功率和开关频率计算面积乘积，根据面积乘积来选择磁芯

AP p =

K o是窗口的铜填充系数：取 K o=0.4

K c是磁芯填充系数；对于铁氧体磁芯取 K c=1

Bm是变压器工作磁通密度，取B m

j是电流密度，取 j = 4.2A/mm2

考虑绕线空间，尽量选择窗口面积大的磁芯，查表选择Aw和Ae

4.8 计算变压器初级、次级匝数、辅助绕组匝数和气隙长度

初级绕组的匝数

N p =

增加或者减小匝数只会分别引起磁芯损耗减小或增加

在100kHz条件下，损耗与B2.86成正比，匝数减小5%会使磁芯损耗增加15%

次级绕组匝数N s = N p / N

辅助绕组匝数N cc = ( V cc + 1 ) N s / ( V o+ V F )

气隙长度 : l g =

4.9 满载时峰值电流

CCM时，T on max固定不变

输入电压不变，BCM的T on max等于CCM的T on max

T on max，电感电流线形上升增量I p1 = = I p2

低输入电压，满载条件下P o = ηL p(I2pk2– I2pk0 ) f s 变压器初级峰值电流I pk2 =

4.10 最大工作磁芯密度B max

B max = < B sat

如果B max

4.11 计算变压器初级电流、副边电流的有效值

梯形波电流的中值：I a = I pk -

电流直流分量：I dc = D max I a

电流有效值：I prms = I a

电流交流分量：I ac = I a

4.12 计算原边绕组、副边绕组的线径，估算窗口占有率

导线的横截面积

自然冷却时，一般取电流密度j = 4A / mm2

初级绕组：S p = I prms ( A ) / 4 ( A / mm2 )

副边绕组：S s = I srms ( A ) / 4 ( A / mm2 )

线径及根数

集肤深度δ= 6.61 / cm

导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过集肤深度，则需多股并绕根据安规要求考虑加一定宽度的挡墙

窗口占有率K0A w N p+ N s+ N cc

4.13计算绕组的铜损

根据导线的电阻和集肤深度，确定每个绕组的铜损耗

总损耗一定要小于预算损耗，温升经验公式